KR100517893B1 - 슬릿 플레이트를 구비한 건축구조용 댐퍼 - Google Patents

슬릿 플레이트를 구비한 건축구조용 댐퍼 Download PDF

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Abstract

본 발명은 건축구조용 댐퍼에 관한 것으로서, 건축구조물의 구조부재들 사이에 결합 설치되어, 지진 등에 의해 건축구조물에 가해지는 하중 에너지를 소성변형되는 슬릿 플레이트에서 흡수하도록 구성된다. 본 발명의 건축구조용 댐퍼(230)는 구조부재로부터 하중 에너지를 전달 받는 제 1엔드 플레이트(231)와; 제 1엔드 플레이트(231)의 양 측부에 상호 대향되게 각각 고정되는 한 쌍의 하중전달 플레이트(233)와; 한 쌍의 하중전달 플레이트(233) 사이에 직립되게 고정되고, 하중 에너지에 의해 소성변형될 수 있도록 그 내측에 슬릿이 길이방향을 따라 형성되는 슬릿 플레이트(236)와; 슬릿 플레이트(236)가 내부에 형성된 절취홈에 끼워져 고정되어, 하중전달 플레이트(233)와 상호 직교하게 위치하는 절취홈 플레이트(235) 및; 절취홈 플레이트(235)의 타측부에 그 일면이 고정되고, 다른 구조부재에 결합되어, 슬릿 플레이트(236)에 고정된 절취홈 플레이트(236)에 하중 에너지를 전달하는 제 2엔드 플레이트(232)를 포함한다. 따라서, 본 발명의 건축구조용 댐퍼는 지진 등에 의해 구조부재에 가해지는 하중이 슬릿 플레이트에 확실하게 전달됨으로써, 슬릿 플레이트에서 주로 소성변형이 되기 때문에, 지진 등에 의한 하중 에너지를 효과적으로 흡수할 수 있는 장점이 있다.

Description

슬릿 플레이트를 구비한 건축구조용 댐퍼{Damper with slit plate for building structure}
본 발명은 건축구조용 댐퍼에 관한 것이며, 특히, 지진에 의해 건축구조물에 가해지는 하중 에너지를 소성변형되는 슬릿 플레이트에서 흡수함으로써, 건축구조물의 내진성능을 향상시키고, 소성변형이 발생된 후에 용이하게 교체할 수 있는 건축구조용 댐퍼에 관한 것이다.
일반적인 건축구조물은 구조부재가 건물중량에 의한 연직하중을 지탱하면서 지진, 바람과 같은 수평력에도 동시에 저항할 수 있도록 설치된다. 이를 위해, 종래에는 구조물의 강성을 증대시키기 위해 구조부재의 단면형상을 크게 하거나, 구조부재에 보강재를 복잡한 형상으로 덧대어 설치하였다.
그리고, 종래기술의 건축구조물에는 구조부재가 연직하중만을 지탱하도록 하고, 지진 등과 같은 횡하중에 대해서는 구조부재가 소성변형되지 않도록 별도의 에너지 흡수수단인 댐퍼를 설치하기도 한다. 하지만, 종래기술의 댐퍼는 다양한 여러 종류가 개발 사용되었으나, 그 대부분이 특수소재로 제작되거나, 컴퓨터 등에 의한 제어 관리가 필요하며, 댐퍼의 형상이 크거나, 제작비가 고가인 등등의 각각의 단점을 갖고 있기 때문에, 널리 사용되지 못하고 있다.
이와 같은 문제점을 극복하기 위해 본 출원인은 도 1에 도시된 바와 같이 골조의 가새에 설치되어 지진과 바람 등에 의한 횡하중 에너지를 흡수 분담할 수 있는 댐퍼를 개발하였다. 이런 건축구조용 댐퍼는 대한민국 특허공개 제 2001-0027721호에 기술되어 있다.
도 1은 종래기술에 따른 철골구조물에 설치된 댐퍼를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 댐퍼의 결합관계를 나타내기 위해 철골구조물의 구성요소를 나타낸 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래기술의 댐퍼(130)는 보(110)와 기둥(112)으로 구성되는 철골구조에서 가새(120)의 양단에 설치된다. 댐퍼(130)는 슬릿이 길이방향을 따라 형성된 슬릿 플레이트의 양 측부에 플레이트가 각각 부착 결합된 부재로서, H형강 또는 C형강과 비슷한 단면형상을 갖는다. 이런 댐퍼(130)의 일측 플랜지는 가새(120)의 플랜지에 다수개의 고장력 볼트와 너트에 의해 체결된다. 그리고, 댐퍼(130)의 타측 플랜지는 철골구조의 기둥(112) 또는 보(110)에 용접 고정되는 꺽쇠형 절곡구조인 어댑터(140)에 다른 고장력 볼트와 너트에 의해 결합된다.
이와 같은 댐퍼(130)가 설치된 철골구조는 지진 또는 바람의 작용으로 골조에 하중이 작용하더라도, 댐퍼(130)의 슬릿이 파손되는 소성변형으로 횡하중에 의한 에너지를 흡수한다. 그리고, 소성변형된 댐퍼(130)는 볼트와 너트를 분리하는 작업만으로 용이하게 교체될 수 있다.
하지만, 종래기술에 따른 댐퍼는 볼트에 의해 접합 결합되기 때문에, 다른 부재와 면접하는 부위에서 미끄럼이 발생할 수도 있으며, 이로 인해 댐퍼의 슬릿부위가 용이하게 소성변형되지 않아 효율적으로 횡하중 에너지를 흡수할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 종래기술의 댐퍼는 철골구조에서 대각지게 설치되는 가새에 부착되기 때문에, 횡하중 뿐만 아니라 연직하중도 작용하게 된다. 이로 인해, 종래기술의 댐퍼는 슬릿이 형성된 웨브면 이외에서 변형이 발생할 수 있음으로, 효율적으로 횡하중 에너지를 흡수하지 못하는 문제점이 있다.
또한, 종래기술의 댐퍼는 양 플랜지가 다른 구조부재에 고정됨으로써 철골구조에 설치되기 때문에, 철골구조에서 설치될 수 있는 부위가 제약되는 문제점이 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 건축구조물에서 구조부재를 연결하도록 설치되며, 상기 구조부재로부터 전달되는 하중에 의한 에너지를 그 내부에 설치된 슬릿 플레이트가 흡수함으로써, 건축구조물의 내진성능을 향상시키는 댐퍼를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 건축구조물의 구조부재에 볼트와 너트에 의해 용이하게 체결 또는 분리되는 엔드 플레이트가 양 끝단에 고정되는 댐퍼를 제공하는데 다른 목적이 있다.
앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 건축구조용 댐퍼는 건축구조물에서 구조부재들 사이에 결합 설치되어, 상기 구조부재에 가해지는 하중 에너지를 흡수한다. 이를 위해 건축구조용 댐퍼는 상기 구조부재에 결합되어, 상기 구조부재로부터 상기 하중 에너지를 전달 받는 제 1엔드 플레이트와; 상기 제 1엔드 플레이트의 양 측부에 상호 대향되게 각각 고정되는 한 쌍의 하중전달 플레이트와; 상기 한 쌍의 하중전달 플레이트 사이에 직립되게 고정되고, 상기 하중 에너지에 의해 소성변형될 수 있도록 그 내측에 슬릿이 길이방향을 따라 형성되는 슬릿 플레이트와; 상기 슬릿 플레이트가 끼워지는 절취홈이 일측부에서 길이방향으로 형성되고, 상기 슬릿 플레이트가 상기 절취홈에 끼워져 고정되어, 상기 하중전달 플레이트와 상호 직교하게 위치하는 절취홈 플레이트 및; 상기 절취홈 플레이트의 타측부에 그 일면이 고정되고, 다른 구조부재에 결합되어, 상기 슬릿 플레이트에 고정된 상기 절취홈 플레이트에 하중 에너지를 전달하는 제 2엔드 플레이트로 구성된다.
아래에서는 본 발명에 따른 슬릿 플레이트를 구비한 건축구조용 댐퍼의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 건축구조용 댐퍼의 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 건축구조용 댐퍼의 각 구성요소를 나타낸 분해 사시도이다.
본 발명의 건축구조용 댐퍼(230)는 구조부재들 사이에 설치되어, 지진 등에 의해 구조부재에 가해지는 하중 에너지를 그 내부에 설치된 슬릿 플레이트(236)가 소성변형하면서 흡수함으로써, 건축구조물의 내진성능을 향상시킨다.
이런 건축구조용 댐퍼(230)는 구조부재에 결합되는 제 1엔드 플레이트(231)를 포함한다. 제 1엔드 플레이트(231)에는 구조부재와의 결합을 위해 그 내측에 볼트가 삽입될 수 있는 제 1체결홀이 관통되게 형성된다.
그리고, 제 1엔드 플레이트(231)의 양 측부에는 하중전달 플레이트(233)의 일측 끝단부가 용접에 의해 각각 일체로 부착 고정되며, 이런 한 쌍의 하중전달 플레이트(233)는 상호 대향되게 위치한다.
그리고, 한 쌍의 하중전달 플레이트(233) 사이에는 슬릿 플레이트(236)가 길이방향을 따라 직립되게 용접에 의해 부착 고정된다. 즉, 슬릿 플레이트(236)는 그 양 측단부가 한 쌍의 하중전달 플레이트(233)에 각각 용접되며, 그 전단부가 제 1엔드 플레이트(231)에 용접 고정된다. 이런 슬릿 플레이트(236)는 일렬 또는 이렬로 된 슬릿이 그 길이방향을 따라 배열 형성된 것으로 전달되는 하중에 의해 소성변형되면서 그 하중 에너지를 흡수하는 성질을 갖는다.
또한, 슬릿 플레이트(236)는 건축구조물에 지진과 같은 외력이 작용하는 경우에 댐퍼(230)보다 구조부재에서 먼저 소성변형되지 않도록, 상기 구조부재보다 낮은 탄성한도를 갖는 것이 바람직하다. 그리고, 슬릿 플레이트(236)는 중규모 이하의 지진과 같은 외력의 발생시에 소성변형하지 않고, 대규모 지진의 발생시에 소성변형하도록 그에 대응하는 탄성한도를 갖는 것이 더 효율적이다. 이 때, 슬릿 플레이트(236)의 탄성한도 및 내력성능은 그 두께와 폭을 달리함으로써 조절될 수 있다.
그리고, 하중전달 플레이트(233)에 고정된 슬릿 플레이트(236)는 절취홈 플레이트(235)의 일측부에서 내측방향으로 형성된 절취홈에 끼워진 상태로 용접 고정된다. 즉, 절취홈 플레이트(235)는 하중전달 플레이트(233)와 상호 직교되게 위치하여, 슬릿 플레이트(236)의 중심부에 지진 등에 의해 발생된 하중을 전달한다.
절취홈 플레이트(235)의 타측부에는 제 2엔드 플레이트(232)가 용접 고정된다. 제 2엔드 플레이트(232)는 구조부재와 결합되는 부재로서, 구조부재와의 체결을 위해 볼트가 삽입될 수 있는 제 2체결홀이 관통되게 형성된다.
그리고, 보강 플레이트(234)는 절취홈 플레이트(235)의 양 측부에 각각 용접되며, 보강 플레이트(234)의 일 끝단은 절취홈 플레이트(235)의 양 측부에 각각 용접 고정된다. 이렇게 고정된 보강 플레이트(234)는 제 2엔드 플레이트(232)로부터 전달되는 지진 등에 의한 하중을 슬릿 플레이트(236)의 방향으로 전달하며, 댐퍼(230)에 발생되는 휨모멘트로 인해 절취홈 플레이트(235)가 변형되는 것을 방지하는 역할을 한다.
또한, 제 2엔드 플레이트(232)와 절취홈 플레이트(235)가 맞닿는 부위에는 보강 리브(237)가 용접된다. 이런 보강 리브(237)는 제 2엔드 플레이트(232)의 강성을 보강하며, 절취홈 플레이트(235)에 발생되는 국부적인 좌굴을 방지하는 역할을 한다. 즉, 제 2엔드 플레이트(232)에 전달된 하중 에너지는 절취홈 플레이트(235)에 압축력으로 작용하면서, 슬릿 플레이트(236)에 전달된다. 이로 인해, 절취홈 플레이트(235)에는 슬릿 플레이트(236)가 끼워지는 절취홈의 후방에서 국부적인 좌굴이 발생할 수 있음으로, 보강 리브(237)가 보강된다.
상기 댐퍼(230)는 그 구성요소들이 결합된 상태에서 제 1엔드 플레이트(231)와 보강 플레이트(234)의 끝단이 상호 일정간격 이격되게 위치하며, 제 2엔드 플레이트(232)와 하중전달 플레이트(233)의 끝단도 상호 일정간격 이격되게 위치한다.
이와 같은 구성의 댐퍼(230)는 건축구조물의 구조부재들에 제 1, 제 2엔드 플레이트(231, 232)가 볼트와 너트에 의해 각각 체결 설치된다. 그러면, 구조부재들 사이에 설치된 댐퍼(230)는 평상시에 건축구조물의 하중을 지탱하면서 지지하고, 지진 등과 같은 큰 외력이 작용하는 경우에 하중에 의한 충격 에너지를 흡수하도록 소성변형된다.
즉, 댐퍼(230)에는 지진 등에 의해 구조부재에 가해지는 하중이 제 1, 제 2엔드 플레이트(231, 232)로부터 전달된다. 그러면, 하중에 의한 에너지는 제 1, 제 2엔드 플레이트(231, 232)에 각각 고정된 하중전달 플레이트(233) 및 절취홈 플레이트(235)에 전달되고, 상기 하중전달 플레이트(233) 및 절취홈 플레이트(235)에 고정된 슬릿 플레이트(236)를 소성변형시키는 외력으로 작용한다.
아래에서는 건축구조물에 설치될 상기 댐퍼의 성능검증에 대하여 도 5에 도시된 바와 같이 실험하였다.
도 5는 도 3에 도시된 건축구조용 댐퍼에 가해지는 하중과 그에 따른 변위를 실험측정하여 나타낸 도면이다.
먼저, 댐퍼(230)에 반복적인 하중을 가하고, 그에 따른 댐퍼(230) 중심부의 변위값을 측정하였다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 건축구조용 댐퍼(230)는 높은 소성변형능력을 가지고 있으면서도 항복점 이후에도 내력의 저하는 나타나지 않았으며, 슬릿 플레이트(236)의 소성변형에 의해 안정된 이력특성을 나타내었다.
그리고, 본 발명의 댐퍼는 도 6에 도시된 건축구조물의 다양한 실시형태들과 같이 설치될 수 있다.
본 발명의 댐퍼(230)는 도 6의 (a), (c), (e)에서와 같이 건축구조물의 가새(220) 단면 사이에 설치될 수 있다. 그리고, 도 6의 (b)에 도시된 댐퍼(230)는 보(210)와 가새(220)에 연결 설치되며, 댐퍼(230)의 제 1, 제 2엔드 플레이트가 각각 보(210)와 가새(220)에 체결된다.
상기 댐퍼(230)는 도 6에 도시된 설치예 뿐만 아니라 구조부재들과 결합되도록 제 1, 제 2엔드 플레이트의 형상을 약간씩 달리하여, 지진 등과 같은 큰 외력에 소성변형되도록 설치될 수 있다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 건축구조용 댐퍼는 지진 등에 의해 구조부재에 가해지는 하중이 슬릿 플레이트에 확실하게 전달됨으로써, 슬릿 플레이트에서 주로 소성변형되기 때문에, 지진 등에 의한 하중 에너지를 효과적으로 흡수할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 지진 등과 같은 큰 외력이 가해지더라도 슬릿 플레이트의 소성변형으로 외력에 의한 에너지를 흡수하기 때문에, 구조부재에 소성변형이 발생되지 않는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 구조부재와 엔드 플레이트를 볼트와 너트에 의해 체결하기 때문에, 필요에 따라 용이하게 분리 교체될 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 구조부재와 체결되는 엔드 플레이트의 형상을 약간 달리하여, 건축구조물에서 다양한 형태로 설치될 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 슬릿 플레이트의 두께 또는 길이 등을 조절함으로써, 건축구조물에서 요구하는 내진성능에 대응되게 설치 또는 교체될 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 건축구조용 댐퍼에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1은 종래기술에 따른 철골구조물에 설치된 댐퍼를 나타낸 도면이고,
도 2는 도 1에 도시된 댐퍼의 결합관계를 나타내기 위해 철골구조물의 구성요소를 나타낸 분해 사시도이고,
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 건축구조용 댐퍼의 사시도이고,
도 4는 도 3에 도시된 건축구조용 댐퍼의 각 구성요소를 나타낸 분해 사시도이고,
도 5는 도 3에 도시된 건축구조용 댐퍼에 가해지는 하중과 그에 따른 변위를 실험측정하여 나타낸 도면이고,
도 6은 도 3에 도시된 건축구조용 댐퍼의 다양한 설치예들을 나타낸 도면이다.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
110, 210 : 보 112 : 기둥
120, 220 : 가새(brace) 130, 230 : 댐퍼
233 : 하중전달 플레이트 236 : 슬릿 플레이트

Claims (4)

  1. 건축구조물에서 구조부재들 사이에 결합 설치되어, 상기 구조부재에 가해지는 하중 에너지를 흡수하는 건축구조물의 댐퍼에 있어서,
    상기 구조부재에 결합되어, 상기 구조부재로부터 상기 하중 에너지를 전달 받는 제 1엔드 플레이트와; 상기 제 1엔드 플레이트의 양 측부에 상호 대향되게 각각 고정되는 한 쌍의 하중전달 플레이트와; 상기 한 쌍의 하중전달 플레이트 사이에 직립되게 고정되고, 상기 하중 에너지에 의해 소성변형될 수 있도록 그 내측에 슬릿이 길이방향을 따라 형성되는 슬릿 플레이트와; 상기 슬릿 플레이트가 끼워지는 절취홈이 일측부에서 길이방향으로 형성되고, 상기 슬릿 플레이트가 상기 절취홈에 끼워져 고정되어, 상기 하중전달 플레이트와 상호 직교하게 위치하는 절취홈 플레이트 및; 상기 절취홈 플레이트의 타측부에 그 일면이 고정되고, 다른 구조부재에 결합되어, 상기 슬릿 플레이트에 고정된 상기 절취홈 플레이트에 하중 에너지를 전달하는 제 2엔드 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 건축구조용 댐퍼.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 절취홈 플레이트의 양 측부에는 보강 플레이트의 일면이 각각 고정되고, 상기 제 2엔드 플레이트의 양 측부에는 상기 보강 플레이트의 일 끝단부가 각각 고정됨으로써, 상기 제 2엔드 플레이트로부터 전달되는 하중 에너지를 상기 슬릿 플레이트에 전달하고, 휨모멘트에 의해 상기 절취홈 플레이트가 변형되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 건축구조용 댐퍼.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제 2엔드 플레이트와 상기 절취홈 플레이트가 맞닿는 부위에는 상기 절취홈 플레이트에 발생되는 국부적인 좌굴을 방지하도록 보강 리브가 보강 고정되는 것을 특징으로 하는 건축구조용 댐퍼.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 제 1, 제 2엔드 플레이트에는 상기 구조부재들과의 체결을 위해 볼트가 삽입될 수 있는 체결홀이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 건축구조용 댐퍼.
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